Targeting virulence: Activity-Based Protein Profiling (ABPP) for Discovery of Potential Therapeutic Targets in Enterococcus faecium

Abstract

<i>Enterococcus faecium</i>, a gut commensal bacterium, has become a significant nosocomial and opportunistic pathogen, linked to infections like urinary tract infections, bacteraemia, and endocarditis. Its success as a pathogen is partly due to its high level of resistance to antibacterial agents. These resistance mechanisms are complicating treatment, especially in strains resistant to vancomycin, a last-resort drug. This has prompted this study to identify novel drug targets in <i>E. faecium</i>. Using activity-based protein profiling (ABPP), a chemoproteomic technique with activity-based probes (ABPs), this research has profiled and identified serine hydrolases (SHs), ATP-binding proteins, and the dynamic activities of penicillin-binding proteins (PBPs). SH-deficient transposon mutants were analysed in various in vitro assays and in an in vivo infection model for functional validation. Two SHs were biochemically characterised. The study identified eleven druggable, largely uncharacterized SHs with consistent activity profiles across hospital-adapted strains and under different growth conditions. Further cellular and biochemical characterization revealed ESH9, a carboxylesterase with broad substrate specificity, as a potential virulence factor. Additionally, the activity of ATP-binding proteins suggested condition-specific regulation in <i>E. faecium</i>, with a histidine kinase and an ABC transporter showing increased activity in human serum, indicating potential involvement in virulence. This research has elucidated enzymatic activities revealing potential virulence factors in <i>E. faecium</i>, contributing new insights into its virulence and facilitating the progress towards development of new treatment strategies for infections caused by this bacterium.

<i>Enterococcus faecium</i>, en kommensal tarmbakterie, har utviklet seg til å bli en stadig mer fremtredende sykehusbakterie, knyttet til infeksjoner som urinveisinfeksjoner, bakteriemi og endokarditt. <i>E. faecium</i> har mange resistensmekanismer mot antibakterielle midler, noe som kompliserer behandling av infeksjoner, spesielt i stammer som er resistente mot vankomycin, et antibiotikum som kun brukes mot infeksjoner med svært resistente stammer. Målet til dette forskningsprosjektet har vært å identifisere nye potensielle legemiddelmål i <i>E. faecium</i>. Ved å bruke aktivitetsbasert proteinprofilering (ABPP), en kjemoproteomisk teknikk som bruker aktivitetsbaserte prober (ABPer) har denne forskningen profilert og identifisert serin hydrolaser (SHer), ATP-bindende proteiner og de dynamiske aktivitetene til penicililn-bindene proteiner (PBPer). For å validere noen av SHene ble mutanter uten SH-aktivitet analysert i forskjellige in vitro tester og i en in vivo infeksjonsmodell. I tillegg ble to SHer biokjemisk karakterisert. Studien identifiserte elleve ukarakteriserte SHer med konsistente aktivitetsprofiler på tvers av sykehustilpassede (A1) stammer og under forskjellige vekstforhold. Videre karakterisering på cellulært og biokjemisk nivå avslørte ESH9, en kaarboksylesterase med bred substratspesifisitet, som en mulig virulensfaktor. Aktiviteten til ATP-bindende proteiner i respons til vekstforholdene i organoidekstrakt og i humant serum tyder på spesifikke reguleringer av proteinaktivitet. En histidin kinase og en ABC transporter, potensielt involvert i virulens, var betydelig mer aktiv etter vekst i HS. Gjennom denne forskningen har enzymaktivitet til SHer og ATP-bindende proteiner blitt undersøkt, og potensielle virulensfaktorer i <i>E. faecium</i> ble avdekket. Samlet sett har denne studien bidratt til ny kunnskap om virulensen til <i>E. faecium</i>, og fremmer utviklingen av nye behandlingsstrategier for infeksjoner med disse bakteriene.